摘要 斜拉桥钢索塔常设计为外形优美的流畅曲线。传统加工采用二维放样误差大，现场拼接时多裁少补，费工费料、工期缓慢、焊接质量差、曲面不流畅。本文以延崇高速太子城互通立交主线“冰雪五环”钢索塔、杏林堡“奥运之门”钢索塔为工程背景，着重介绍了BIM技术在复杂曲面线型设施的施工过程的应用，并对BIM技术在设计、施工、运维全过程中的应用进行展望。
关键词 BIM 钢索塔 延崇高速 三维放样
1 引言
大跨度桥梁常采用斜拉桥或悬索桥的结构形式，其索塔为桥梁重要的受力构件。钢索塔在国外应用较早，国内也是近十年开始大范围应用钢索塔。但因为钢索塔外形一般设计为空间曲面，加工、安装施工难度大，传统的施工方法对人员、材料、时间等存在极大的浪费。随着建筑信息模型（BIM）概念的普及，各单位广泛采用BIM技术，进行设计、施工过程的控制，但多停留在对常规设施的三维放样阶段，对于复杂的异形曲面构件的放样仍无成熟技术，且仅应用于施工阶段，不能利用BIM技术有效的服务于设施的全生命周期。
2 工程概况
延崇高速公路指从北京延庆到张家口崇礼的高速公路，全长约116公里，是2022年冬奥会北京延庆赛场与张家口崇礼赛场的直达高速通道。本文所述的太子城互通立交主线“冰雪五环”桥位于张家口市崇礼县，主线1号桥为左右双幅，上部结构采用三塔双索面、双塔双索面钢结构斜拉桥，建成效果图如下图2.1；杏林堡“奥运之门”桥位于河北省怀来县，主线桥为左右双幅的斜拉桥，采用门型钢索塔，建成效果图件见下图2.2。
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3 BIM技术在延崇高速中的应用
3.1 BIM技术对施工过程的指导
3.1.1 延崇高速钢索塔结构特点
延崇高速太子城互通立交主线钢索塔桥面以上高33米，桥面以下高20米，总高53米，下部为混凝土基础。该钢索塔分为外塔与内塔两部分，内外塔之间通过连接支撑连接，其主体结构如下图3.1。
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图3.1 太子城钢索塔主体结构图
太子城钢索塔的外塔、内塔断面呈不规则的五边形，截面尺寸连续变化，外形呈曲率连续变化的空间曲面，线型流畅优美，极具观赏性。其断面结构如下图3.2。
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图3.2 太子城钢索塔断面图
延崇高速杏林堡钢索塔桥面以上高38米，桥面以下高14米，总高52米，下部为混凝土基础。该钢索塔呈人字形构造，主体结构如下图3.3。
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图3.3 杏林堡钢索塔主体结构图
杏林堡钢索塔断面呈不规则的四边形，如下图3.4所示。
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图3.4 杏林堡钢索塔断面构造图
3.1.2 延崇高速钢索塔的施工难点
根据相关规范，介绍平面度、焊接、制造精度等相关要求；
本项目钢索塔高度约50米，主体为曲率连续变化的空间曲面构造，采用全焊接结构。由于无专项规范，加工制造时必须参照关联规范从严执行。根据铁路钢桥制造规范要求，梁段间主要受力构件板厚方向错台不得大于2mm；焊缝根部间隙6-15mm；接料长度不得小于1m；横向焊缝错开距离不得小于200mm；焊缝返修不宜大于两次；其线型旁弯值不得大于构件长度的1/5000。
本项目钢索塔钢板最大厚度仅为10mm，要求焊缝组对间隙不得大于6mm，接料长度不得小于1m，横向焊缝错开距离大于300mm。且一般钢索塔垂直度要求至少1/4000错误!未找到引用源。。
孙景领等人错误!未找到引用源。已现场施工过程中将精度提高到1/7000以上。但也是通过设计人员给定的数据进行控制，原始数据的精度是否满足要求不得而知。且在一般钢结构桥梁现场施工时，其主要受力构件临时拼装时在板厚方向错台普遍在20-30mm，现场拼装时一般通过千斤顶调节才能部分消除板厚错台的问题。
本项目钢索塔自身构造即为扭曲的空间曲面，高度50米。厂内加工时下料不准确，造成构件尺寸不合适，又难以模拟实际工况进行厂内预拼装，会导致现场拼装时难以匹配。厂内加工时焊接操作不当，会造成构件空间线形扭曲，难以通过测量数据控制，且一旦发生变形扭曲，很难进行校正，同样会导致现场拼装时构件之间无法匹配。加上运输、吊装时会因为自重、温差等无法避免的因素产生一定变形。这样累计误差全部积累在现场，而现场施工条件差，如果构件线形质量不过关，现场拼装时反复吊上吊下则费时费工，严重影响工期进度；现场反复裁板接料，对材料存在巨大的浪费，且接料必然伴随着焊接，接料时需对前次焊缝热影响区进行切除，避免反复在同一位置焊接产生不良影响，且必然伴随着现场裁板接料的操作。
另外，在钢索塔上开设诸多的锚固拉杆，锚固拉杆布置形式如下图3.5。
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图3.5 钢索塔锚固拉杆布置
斜拉索作为传力路径中首要环节，拉索寿命很大程度上决定了斜拉桥整体结构性能，而疲劳损伤是影响斜拉索生命的最重要因素。在服役运营期间，现场环境中不确定的不利因素众多，包括风、雨等恶劣天气的自然因素和人为因素等，这些都容易诱发暴露在外的拉索发生生锈、腐蚀和受力疲劳现象。除此之外，由于拉索与梁的联结方式多为固结，在活载作用下，不同拉索垂度和主梁变位作用引起拉索倾角不断变化，极易发生局部疲劳破坏。在强力风荷载作用下，拉索振动导致受力疲劳和破损等现象也十分普遍。错误!未找到引用源。
而在斜拉桥拉索施工时，其锚固端需要预埋入钢索塔构造内。厂内制作、现场安装等环节一旦出现较大误差，拉索锚固端轴向与拉索实际受力方向不吻合，极大地影响了联接部的疲劳寿命。
综上所述，加工制造、现场安装过程中的精度控制，是本项目施工过程中的难点和重点。而通过BIM技术在施工过程中的应用，从源头上保证了钢索塔的施工精度。
3.1.3 延崇高速施工工艺
钢索塔节段结构制作分一般分为三步完成： 第一步制作板单元件；第二步上胎拼装；第三步焊接成型。传统的制作方法是焊接成型后再依次进行端面加工、两段立式匹配预拼、涂装，时候进行运输、桥位安装等作业。而本项目通过BIM技术的应用，从下料阶段确保零件尺寸精度、焊接环节保证节段外形尺寸精度等，省却了多个中间矫正环节。
3.1.3.1下料
钢索塔空间结构复杂，节段拆分后零件外形不规则，传统放样方法一般采用正超差留足富余量，后期节段拼装时校正工作量大。本项目应用了BIM控制技术，采用三维软件精确放样，并与设计参数复核无误后，对零件通过三维模型钣金展开，其零件尺寸精度可控制在1mm以内。如下图3.6所示为其三维模型零件各尺寸参数，图3.7为其三维模型钣金展平零件各尺寸参数，其面积误差值在0.01%左右，长度误差值约0.5mm。由此，可在下料阶段严格控制误差。
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3.1.3.2板单元制造
根据钢索塔结构设计特点, 其板块单元可分为以下几类: 外壁板单元，横隔板单元、支撑单元等，如下图3.8。
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图3.8 钢索塔单元件模型示意图
在单元件制作时，通过三维模型可导出其任意点三维坐标，并可以导出不同零件之间的装配位置，进而严格控制单元件制作精度，尤其在壁板单元制作时具有切实的指导意义。如下图3.9所示，为钢索塔外壁板与隔板装配模型。
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图3.9 钢索塔外壁板三维模型示意图
钢索塔外壁板空间线形复杂，内壁附3根通长I型加劲肋,横隔板设置R型肋孔与外壁板上的I型加劲肋配合，通过双面角焊缝联接。其中横隔板R型肋孔的定位精度已在下料时进行控制，I型加劲肋下料精度亦得到控制，但与外壁板组成外壁板单元件的过程中，因划线精度、焊接变形等因素易产生较大误差，对后续总装、安装等工序有较大影响。
利用BIM技术将三维模型任意点的空间坐标导出，根据相关数据，制作与实际线形相吻合的加工胎架，如下图3.10，图中基准面1模拟地面，每1/2隔板间距取一组控制点，可获得外壁单元的空间坐标，亦可视情况取适当距离选取控制点。另外可根据车间情况，对空间坐标系进行任意转化以满足车间要求。
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图3.10 外壁单元任意点空间坐标
制作外壁单元时，须在外壁单元面板下料完毕后进行I型加劲肋定位划线，但因为外壁单元为复杂异形空间曲面结构，传统人工划线放样准确度低，费工费时。利用BIM技术可实现空间曲面结构进行钣金展平时，附带附属结构的定位线的目的，如下图3.11。在进行外壁单元加工制作时，可对I型加劲肋进行精确定位。且目前可实现下料时在平板上即时进行划线作业，不需要等到外壁面板折弯后再进行人工划线，确保外壁单元与隔板单元之间的精确装配。
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图3.11 空间曲面钣金展平时附带附属结构定位线
支撑单元、拉索锚固端等加工制造方式同外壁板单元。
节段总装时利用BIM模型获取各节段间相对位置关系，并对车间进行即时指导。
3.2 BIM技术对设计过程的反馈
在延崇高速太子城钢索塔、杏林堡钢索塔的三维放样过程中，根据设计单位给出的主要节点的空间坐标等信息对钢索塔进行BIM建模，期间发现钢索塔模型曲面出现局部扭曲，空间线形不流畅，不仅难以加工，且极易产生屈曲，对钢索塔的局部受力不利。该问题表明设计单位给出的节点位置不当，经过分析，我施工单位给出问题节点的空间坐标等参数，发设计确认，得到设计单位的回函认可，如下图3.12。
3.3 BIM技术在运维过程的应用
透明化推动公平竞争，可实现合理利润和“阳光”下的收入，长远来看有利市场合理价格体系的形成，减少恶意低价投标概率，降低施工总承包方的成本风险。BIM技术的大面积推广应用，必然趋势是使高估冒算失去空间，偷工减料受到抑制，通过价格进行恶性市场竞争的企业倒闭淘汰，最终推动市场价格体系回归理性，各相关方在合理利润状态下保持合作共赢的关系，行业才能健康发展。
通过以上我们不难看出目前BIM应用的基础和现状不可高估同时BIM发展的速度也不可低估。BIM技术的前景是光明的，道路也的确是曲折的，但越是艰难的时候，谁能坚持下来，谁就有可能最终脱颖而出，笑到最后。
4 结语
BIM技术在施工过程的应用，解决了复杂异形构件线形难以控制的难题，对于施工质量、成本控制、结构寿命、外观造型等均有利。建筑信息模型通过建立三维数字模型，集成了建设项目的全部工程信息，将建设项目各阶段主要参与方的工作有机的联合在一起。通过建筑信息模型自动生成各种图纸、表格与文档，在建设项目各方中进行同步信息共享，可帮助施工单位改进生产管理方式，进行限额领料施工，最大限度帮助建设单位控制造价。BIM是一种全新的理念，它涉及到从规划、设计到施工、维护技术的一系列创新和变革，是建筑业信息化的发展趋势。BIM技术对于实现建筑全寿命周期管理，提高建筑行业设计、施工、运营的科学技术水平，促进建筑业全面信息化和现代化，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。
参考文献
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